(57)【要約】【課題】  システム全体の軽量化や小型化を図りつつ、凝縮水のみならず残留水分についても排出性能を高めて燃料電池の始動性を高めることができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供する。【解決手段】  燃料電池１に反応ガスを流通させる反応ガス流路内に掃気ガスを流通させて掃気を行う。掃気が必要と判断したときには、前記燃料電池の通常発電時に前記反応ガス流路に流れている反応ガスの流量よりも大流量で掃気ガスを流し、その後、前記大流量よりも小流量で掃気ガスを流す。【選択図】    図１
2006004904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給される反応ガスの化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記反応ガスが流通する反応ガス流路と、
前記反応ガス流路内を掃気ガスにより掃気する掃気手段と、
前記反応ガス流路内の掃気が必要か否かを判断する掃気判断手段と、を備え、
前記掃気判断手段により掃気が必要と判断したとき、前記燃料電池の通常発電時に前記反応ガス流路に流れている反応ガスの流量よりも大流量で掃気ガスを流す大流量掃気処理と、前記大流量よりも小流量で掃気ガスを流す小流量掃気処理とを前記掃気手段により行わせる掃気ガス供給制御手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記小流量掃気処理は、前記燃料電池の通常発電時に前記反応ガス流路に流れている反応ガスの流量よりも小流量で行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記大流量掃気処理では、前記掃気ガスの圧力を、前記燃料電池の通常発電時に前記反応ガス流路に流れている反応ガスの圧力よりも低下させた低圧とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記小流量掃気処理では、前記掃気ガスの圧力を前記低圧よりも上昇させた高圧にすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記高圧は、大気圧よりも高い圧力であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記掃気ガスは、前記反応ガスの酸化剤ガスであり、
前記酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給手段により供給することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記掃気判断手段は、前記燃料電池の発電停止時に掃気が必要と判断することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池に反応ガスを流通させる反応ガス流路内に掃気ガスを流通させて掃気を行う燃料電池システムの制御方法であって、
掃気が必要と判断したときには、
前記燃料電池の通常発電時に前記反応ガス流路に流れている反応ガスの流量よりも大流量で掃気ガスを流し、その後、前記大流量よりも小流量で掃気ガスを流すことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の残留水を排出する掃気処理を行う燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両の駆動源として燃料電池を備えた燃料電池車両が提案されている。この種の燃料電池としては、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜を介装した単位セルを所定数積層された構造をとるものが知られている。そして、アノードに水素（燃料ガス）を、カソードに空気（酸化剤ガス）をそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電する。
【０００３】
燃料電池は発電の際に水を生成するため、発電停止時には燃料電池内には水分が含有されている。燃料電池内に水を残留させた状態で停止すると、例えば低温環境下で燃料電池車両を始動する場合に、残留水が凍結して反応ガス流路が閉塞されてしまい、始動時間が長くなってしまう。このような事態を防止する観点から、燃料電池の停止時に残留水を排出するパージ工程を行う技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、燃料電池運転停止時に排出弁を閉じた状態で反応ガスのガス流量を増大させてガス流路の圧力を増大させ、その後、排出弁を開放することでガス流路内にたまった水を排出する技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−３０５０１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の技術においては、大量のガスを燃料電池内部に供給し、圧力を増大させる必要があるため多大なエネルギーを必要としてしまう。また、発電停止時に掃気処理を行う場合には、掃気処理に必要なエネルギーや次回始動時のエネルギー確保のために、バッテリ等のエネルギーストレージを増大させる必要があるため、システム全体の重量や容積が増大してしまう。
また、従来においては、反応ガス流路内の残留水を凝縮水として除去できるものの、電解質膜の内部に残存している水分もしくは反応ガス流路の表面上の水分（これらの水分を「残留水分」と称す）を水蒸気として排出する能力が不足するおそれがあり、この点で排出性能の向上が求められている。
【０００６】
従って、本発明は、システム全体の軽量化や小型化を図りつつ、凝縮水のみならず残留水分についても排出性能を高めて燃料電池の始動性を高めることができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。ここで、残留水分とは、上述したように、電解質膜の内部に残存している水分もしくは反応ガス流路の表面上の水分を言う。以下の説明においても同様とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、供給される反応ガスの化学反応により発電を行う燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１）と、前記反応ガスが流通する反応ガス流路（例えば、実施の形態における水素供給流路３、エア供給流路６）と、前記反応ガス流路内を掃気ガスにより掃気する掃気手段（例えば、実施の形態におけるエアコンプレッサ５）と、前記反応ガス流路内の掃気が必要か否かを判断する掃気判断手段（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ１２）と、を備え、前記掃気判断手段により掃気が必要と判断したとき、前記燃料電池の通常発電時に前記反応ガス流路に流れている反応ガスの流量よりも大流量で掃気ガスを流す大流量掃気処理と、前記大流量よりも小流量で掃気ガスを流す小流量掃気処理とを前記掃気手段により行わせる掃気ガス供給制御手段（例えば、実施の形態におけるＥＣＵ１２）を有することを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、前記掃気判断手段により掃気が必要と判断したときに、前記掃気ガス供給制御手段によって前記掃気手段を制御して大流量掃気処理を行わせることで、前記反応ガス内に液滴で残留している残留水（凝結水）を排出することができる。そして、前記大流量掃気処理を行った後、前記小流量掃気処理を前記掃気手段により行わせることで、残留水分を水蒸気として掃気ガス中に取り込んで（飽和させて）、掃気ガスを排出することで残留水分も排出することができる（これについては、実施の形態において後述する）。また、流量を小さくすることで必要なエネルギーも減少させることができるので、その分必要となるエネルギーストレージを抑えることができる。従って、システム全体の軽量化や小型化を図りつつ、凝縮水のみならず残留水分の排出性能を高めて燃料電池の始動性を高めることができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記小流量掃気処理は、前記燃料電池の通常発電時に前記反応ガス流路に流れている反応ガスの流量よりも小流量で行うことを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、前記小流量掃気処理を前記通常発電時の反応ガスの流量よりも小流量で行うことで、前記小流量掃気処理を行う際に必要なエネルギーをさらに低減することができるとともに、掃気ガス内に水蒸気をさらに効率的に取り込むことができ、残留水分を水蒸気として排出することで、残留水分の排出性能をさらに高めることができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のものであって、前記大流量掃気処理では、前記掃気ガスの圧力を、前記燃料電池の通常発電時に前記反応ガス流路に流れている反応ガスの圧力よりも低下させた低圧とすることを特徴とする。
この発明によれば、前記掃気ガスの圧力を低圧とすることで、前記燃料電池に供給する掃気ガスを通常発電時よりも大流量で前記反応ガス流路に供給することができる。すなわち、掃気手段により供給される掃気ガスが略一定量のときに、前記低圧にする処理を行うと、ボイルの法則（ＰＶ＝一定）により掃気ガスの体積が増大する。換言すれば、掃気ガスを低圧にすることで大きな体積流量で掃気ガスによる掃気を行うことができる。従って、掃気ガスを低圧にすることで掃気ガスの流量を増大させて、燃料電池内に液滴で残留している残留水（凝結水）を排出することができる。また、前記掃気ガスの圧力を低圧とすることで、より少ないエネルギーで掃気ガスを供給することが可能となる。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載のものであって、前記小流量掃気処理では、前記掃気ガスの圧力を前記低圧よりも上昇させた高圧にすることを特徴とする。
この発明によれば、前記掃気ガスの圧力を高圧とすることで、前記燃料電池に供給する掃気ガスを前記低圧のときよりも小流量で前記反応ガス流路に供給することができる。すなわち、掃気手段により供給される掃気ガスが略一定量のときに、前記高圧にする処理を行うと、ボイルの法則（ＰＶ＝一定）により掃気ガスの体積が減少する。換言すれば、掃気ガスを低圧にすることで小さな体積流量で掃気ガスによる掃気を行うことができる。従って、掃気ガスを高圧にすることで掃気ガスの流量を減少させて、残留水分を水蒸気として掃気ガス中に取り込んで（飽和させて）、掃気ガスを排出することで残留水分を排出することができる。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載のものであって、前記高圧は、大気圧よりも高い圧力であることを特徴とする。
この発明によれば、前記掃気ガスの圧力を前記大気圧よりも高い圧力にすることで、反応ガスや掃気ガスを排出する排出流路に設けられる出口排出弁をシステム停止時に全開にすることで発生する大きな差圧を利用して、反応ガス流路内の水を排出することが可能となり、さらに、前記小流量掃気処理の際に凝結した水を、反応ガス流量内と大気との圧力差により排出することが可能となり、排出性能をさらに高めることができる。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載のものであって、前記掃気ガスは、前記反応ガスの酸化剤ガスであり、前記酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給手段（例えば、実施の形態におけるエアコンプレッサ５）により供給することを特徴とする。
この発明によれば、掃気ガスを供給する掃気手段を前記酸化剤ガス供給手段と共用化できるため、システムの簡素化と消費電力の低減を図ることができる。
【００１５】
請求項７に係る発明は、請求項１から請求項６のいずれかに記載のものであって、前記掃気判断手段は、前記燃料電池の発電停止時に掃気が必要と判断することを特徴とする。
この発明によれば、前記燃料電池の発電停止時に掃気処理が行われるため、燃料電池内の残留水や水蒸気を除去した状態で停止させることができ、次回の発電開始時における燃料電池の起動性を向上することができる。加えて、発電停止後に、燃料電池システムの外部が氷点下になった場合でも、燃料電池内の水分を除去できているため凍結を防止することができる。
【００１６】
請求項８に係る発明は、燃料電池に反応ガスを流通させる反応ガス流路内に掃気ガスを流通させて掃気を行う燃料電池システムの制御方法であって、掃気が必要と判断したときには、前記燃料電池の通常発電時に前記反応ガス流路に流れている反応ガスの流量よりも大流量で掃気ガスを流し、その後、前記大流量よりも小流量で掃気ガスを流すことを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、掃気が必要と判断したときに反応ガス流路内に大流量で掃気ガスを流すことで、前記反応ガス内に液滴で残留している残留水（凝結水）を排出することができる。そして、前記大流量掃気処理を行った後、前記小流量で掃気ガスを流すことで、残留水分を水蒸気として掃気ガス中に取り込んで（飽和させて）、掃気ガスを排出することで残留水分も排出することができる。また、流量を小さくすることで必要なエネルギーも減少させることができるので、その分必要となるエネルギーストレージを抑えることができる。従って、システム全体の軽量化や小型化を図りつつ、凝縮水のみならず残留水分の排出性能を高めて燃料電池の始動性を高めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に係る発明によれば、システム全体の軽量化や小型化を図りつつ、凝縮水のみならず残留水分についても排出性能を高めて燃料電池の始動性を高めることができる
請求項２に係る発明によれば、掃気処理を行う際に必要なエネルギーをさらに低減することができるとともに、残留水分の排出性能をさらに高めることができる。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、掃気ガスを低圧にすることで掃気ガスの流量を増大させて、燃料電池内に液滴で残留している残留水（凝結水）を排出することができる。また、前記掃気ガスの圧力を低圧とすることで、より少ないエネルギーで掃気ガスを供給することが可能となる。
請求項４に係る発明によれば、掃気ガスを高圧にすることで掃気ガスの流量を減少させて、燃料電池を構成するセル内に掃気ガスが滞留する時間を延長することで、残留水分を水蒸気として掃気ガス中に取り込んで（飽和させて）、掃気ガスを排出することで残留水分を排出することができる。
請求項５に係る発明によれば、前記小流量掃気処理の際に凝結した水を、反応ガス流量内と大気との圧力差により排出することが可能となり、排出性能をさらに高めることができる。
【００２０】
請求項６に係る発明によれば、システムの簡素化と消費電力の低減を図ることができる。
請求項７に係る発明によれば、次回の発電開始時における燃料電池の起動性を向上することができる。
請求項８に係る発明によれば、システム全体の軽量化や小型化を図りつつ、凝縮水のみならず残留水分についても排出性能を高めて燃料電池の始動性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、この発明の実施の形態における燃料電池システムを図面と共に説明する。
図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜１ａをアノード１ｂとカソード１ｃとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたものである。なお、図１には簡略化のため単セルのみを示す。
【００２２】
このように構成された燃料電池１のアノード１ｂに燃料として水素を供給し、カソード１ｃに酸化剤として酸素を含む空気を供給する。これにより、アノード１ｂで触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜１ａを通過してカソード１ｃまで移動して、カソード１ｃで酸素と電気化学反応を起こして発電し、その際に水が生成される。このとき、カソード１ｃ側で生じた生成水の一部は電解質膜１ａを介してアノード１ｂ側に逆拡散するため、アノード１ｂ側にも生成水が存在する。
【００２３】
水素ボンベ２から供給される水素は、遮断弁４、レギュレータ１１を介して水素供給流路３を通って燃料電池１のアノード１ｂに供給される。
一方、空気はエアコンプレッサ５によりエア供給流路６に圧送され、燃料電池１のカソード１ｃに供給される。
【００２４】
また、水素供給流路３とエア供給流路６とは、合流流路９を介して接続されている。合流流路９には掃気弁１０が設けられ、掃気弁１０を開閉制御することにより、互いの流路３、６にそれぞれ流通する反応ガス（水素、エア）の合流を許容または防止することができる。本実施の形態において、掃気弁１０は、エアを掃気用ガスとして水素供給流路３に流入させる場合の制御に使用される。
【００２５】
そして、消費されなかった未反応の水素は、アノード１ｂ側の生成水等の残留水と共にアノード１ｂから循環流路１３に排出され、エゼクタ１４を介して水素供給流路３に合流する。つまり、燃料電池１から排出された水素は、水素ボンベ２から供給される新鮮な水素と合流して、再び燃料電池１のアノード１ｂに供給される。
【００２６】
また、循環流路１３から分岐した水素排出流路７にはアノード圧力調整弁１７が設けられ、アノード圧力調整弁１７を開弁することにより利用済の水素オフガスを水素排出流路７から排出する。なお、水素排出流路７から排出された水素オフガスは、図示しない希釈ボックスにより所定濃度以下に希釈されるが、詳細については省略する。
【００２７】
一方、エア排出流路８には、カソード圧力調整弁１８が設けられている。カソード圧力調整弁１８を開くことにより、反応済のエアオフガスをエア排出流路８から排出する。また、カソード圧力調整弁１８の開度を調整することにより、燃料電池１のカソード１ｃに供給されるエア圧力（カソード圧力）を調整することができる。この調整されたエア圧力に基づいて、アノード１ｂに供給される水素圧力（アノード圧力）がレギュレータ１１を介して調整される。水素供給流路３やエア供給流路６には、アノード圧力やカソード圧力を測定するための圧力センサ１９、２０がそれぞれ設けられている。また、燃料電池１には、発電電圧を測定するための電圧センサ２１が設けられている。
【００２８】
燃料電池システムには、各種機器の制御を行う制御部（ＥＣＵ）１２が設けられている。
制御部１２には、イグニッションスイッチ１５が接続され、これらからイグニッションＯＮ、ＯＦＦ（ＩＧ−ＯＮ、ＩＧ−ＯＦＦ）の信号が入力される。
また、制御部１２には、圧力センサ１９、２０や電圧センサ２１が接続され、これらから、アノード圧力やカソード圧力、発電電圧が入力される。
【００２９】
そして、制御部１３は、これらの入力された検出値や信号に基づいて、エアコンプレッサ５、遮断弁４、掃気弁１０、レギュレータ１１、アノード圧力調整弁１７、カソード圧力調整弁１８を駆動させる信号を出力する。
【００３０】
上述のように構成された燃料電池システムの作用について図２、図３を用いて説明する。
図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの掃気制御の処理内容を示すフローチャートである。図３は遮断弁、コンプレッサ回転数、掃気バルブ、背圧弁、パージ弁についての時間変化を示すグラフ図である。
【００３１】
まず、ステップＳ１０で、イグニッションスイッチ１５がＯＮからＯＦＦに切り換わって、運転停止信号が入力されると（ＩＧ−ＯＦＦ）、ステップＳ１２で、水素供給流路３の遮断弁４が閉じられて、燃料電池１のアノード１ｂへの水素の供給を停止させる。
そして、ステップＳ１４で、コンプレッサ５の回転数を通常の発電時よりも上昇させて、大流量掃気制御を開始する（図３参照）。そして、ステップＳ１６で、アノード圧力調整弁１７、カソード圧力調整弁１８を全開状態にする。これにより、アノード１ｂとカソード１ｃに供給されるエア圧力を低下させることができる。このように低圧で掃気処理を行うと、ボイルの法則（ＰＶ＝一定）により掃気ガスであるエアの体積が増大する。この低圧での掃気処理を行って、燃料電池１のアノード１ｂやカソード１ｃにおける残留水蓄積部位と、水素排出流路７やエア排出流路８との差圧を増加させることで、燃料電池１内に液滴で残留している残留水（凝結水）の排出を促進することができる。ここで、低圧とは、例えば、燃料電池１の通常発電時にカソード１ｃに供給されている圧力よりも低圧である。
【００３２】
そして、ステップＳ１８で、合流流路９の掃気弁１０をＯＮにする（開弁する）。これにより、水素供給流路３にもエアを供給することで、カソード１ｃ側のみならずアノード１ｂ側の掃気処理も併せて行うことができる。従って、水素を消費することなく、掃気処理を行うことができる。この大流量掃気処理により、燃料電池１内に残留する残留水（凝縮水）を水素排出流路７やエア排出流路８を介して排出することができる。
【００３３】
そして、ステップＳ２０で、大流量掃気処理が完了したか否かの判定を行い、判定結果がＹＥＳであればステップＳ２２に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ２０の処理を繰り返す。本実施の形態では、前記掃気処理の完了の判定は、圧力センサ１９、２０のそれぞれで圧力変化を検出することにより行う。すなわち、掃気処理が完了する前にあっては、水素供給流路３、エア供給流路６に残留している凝縮水によって流路３、６が閉塞されてしまうため、圧力が高くなっている。これに対して、掃気処理によって残留水が除去されるとガスの流通が自由になるため圧力が低下する。従って、圧力センサ１９、２０のそれぞれで一定以上の圧力低下を検知した場合には、掃気処理により凝縮水が排出されたと判定することができる。なお、判定手法はこれに限らず、タイマーを用いて予め設定された掃気時間が経過したかを計測してもよいし、また、アノード１ｂやカソード１ｃの入口側、出口側のそれぞれに圧力センサを設けて、それぞれの差圧を検出することで行ってもよい。
【００３４】
また、ステップＳ２２では、コンプレッサ５の回転を下降させることにより、小流量掃気を行う。このとき、コンプレッサ５の回転数は、通常の発電時よりも下降させている（図３参照）。このように小流量掃気を行うことにより、残留水分を水蒸気として取り込ませる（飽和させる）効率を高めることができる。
【００３５】
この点についてより詳細に説明する。掃気流量×時間（積算流量）が同じであるならば、低流量で長時間掃気した方が、大流量で短時間掃気する場合よりも水蒸気として残留水の持ち去り量を多くすることができる。つまり、単位流量あたりの水蒸気持ち去り量（除去される量）は、流量が小さい方が大きくなる。
なぜなら、低湿度のガスで掃気した場合において、排出されるガスの飽和水蒸気圧は、掃気ガス流量に依存せず、燃料電池１の温度によって決定される。さらに、掃気ガスの圧力は大流量を流す場合よりも小流量を流す方が小さくなる。従って、掃気ガスの流量が増えても、圧力が上がるため水蒸気の分圧が低くなり、単位流量あたりの水蒸気の持ち去り量は減少する。
【００３６】
例えば、水蒸気分圧をＰｗ、全圧をＰ、体積流量をＱとすると、水蒸気流量Ｑｗは下記の式（１）で表される（これが小流量の場合に対応する）。
Ｑｗ＝Ｐｗ×Ｑ／（Ｐ−Ｐｗ）…式（１）
これに対し、流量Ｑが２倍となり、圧力Ｐが２倍になった場合には、水蒸気流量Ｑｗｓは下記の式（２）で表される（これが大流量の場合に対応する）。
Ｑｗｓ＝Ｐｗ×２Ｑ／（２Ｐ−Ｐｗ）…式（２）
これらの式（１）、式（２）より、単位流量あたりの水蒸気流量を比較すると、下記の式（３）のようになる。
Ｑｗ／Ｑ＞Ｑｗｓ／２Ｑ…式（３）
すなわち、大流量で掃気するよりも、小流量で掃気する方が、水蒸気の持ち去り量は大きくなることがわかる。
【００３７】
そして、ステップＳ２４で、小流量掃気が完了したか否かを判定し、判定結果がＹＥＳの場合はステップＳ２６に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ２４に戻る。ステップＳ２６では、掃気弁１０をＯＦＦにする。この判定手法としては、上述のした圧力センサ１９、２０で検出される圧力の変動により行ってもよい。すなわち、水蒸気が除去される前と除去された後では、燃料電池１内のガスの粘性が異なるため、圧力変動を検出することで水蒸気が除去されたと判定することができる。また、他の判定手法として、上述のように、タイマや差圧を検出することにより行ってもよい。
【００３８】
ステップＳ２８では、コンプレッサ５を停止してエアの供給を停止する。ステップＳ３０では、アノード圧力調整弁１７、カソード圧力調整弁１８を全閉にする。そして、ステップＳ３２で、ＥＣＵ１２を停止させてシステムを停止させる。
【００３９】
このように、本実施の形態においては、掃気が必要と判断したときに水素供給流路３やエア供給流路６に大流量で掃気ガスであるエアを流すことで、前記流路３、６に液滴で残留している残留水（凝結水）を排出することができる。
【００４０】
そして、前記大流量掃気処理を行った後、前記小流量でエアを流すことで、流路３、６内に残存している残留水分を水蒸気としてエアに取り込んで（飽和させて）、このエアを排出することで水蒸気も排出することができる。また、流量を小さくすることで必要なエネルギーも減少させることができるので、その分必要となるエネルギーストレージを抑えることができる。従って、システム全体の軽量化や小型化を図りつつ、凝縮水のみならず残留水分についても排出性能を高めて燃料電池の始動性を高めることができる。
【００４１】
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。以下、前述の実施の形態と同様の構成や処理内容については同一の符号を付してその説明を適宜省略する。図４は本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの掃気制御の処理内容を示すフローチャートである。
【００４２】
本実施の形態においては、ステップＳ２２で、コンプレッサ５の回転を下降させた後に、ステップＳ４０で、アノード圧力調整弁１７、カソード圧力調整弁１８の開度を小さくして（絞って）、圧力を高める制御を行う（例えば半開状態）。これにより、アノード１ｂとカソード１ｃに供給されるエア圧力を増大させることができ、小さな体積流量でエアによる掃気を行うことができる。
従って、残留水分を水蒸気としてエア中に取り込んで（飽和させて）、このエアを排出することで残留水分も排出することができる。このように低圧掃気（換言すれば小流量掃気）を行うことにより、残留水分を水蒸気として取り込ませる（飽和させる）効率を高めることができる。
【００４３】
この点についてより具体的に説明する。燃料電池１の電解質膜１ａ等に蓄積された水分は、拡散層等の細孔に蓄積されているため、表面張力が大きく、物理的な力（差圧による吸引力）では排水することが困難である。このような残留水分を排出するにあたっては、表面張力を低減させるために、水分を水蒸気に変換して除去する必要がある。従って、燃料電池１内の電解質膜１ａ等に蓄積された水分を除去するために、燃料電池１に供給されるエアの圧力を大きくして体積流量を下げることで、エアが燃料電池１内に滞留する時間を増大することができる。これにより、燃料電池１に供給されるエアが前記蓄積された水分を十分に含有することができる（換言すれば水蒸気として除去することができる）ため、残留水分の除去を促進することができる。
【００４４】
そして、ステップＳ４２で、高圧掃気が完了したか否かを判定し、判定結果がＹＥＳの場合はステップＳ２６に進み、判定結果がＮＯであればステップＳ４２に戻る。この判定手法としては、タイマにより行ってもよいし、上述のように差圧を検出することにより行ってもよい。ステップＳ２６以降の処理は、図２に示したフローチャートと同様である。
【００４５】
本発明の上述した第２の実施の形態における掃気処理と従来技術に相当する比較例における掃気処理との相違点を図５、図６を用いて説明する。
まず、比較例においては、図６に示すように、掃気処理が開始されてから終了するまで掃気ガスの圧力が略一定の高圧状態に保持され、掃気ガスの流量も略一定に保持されている。このような制御では、燃料電池１内の残留水は排出されるものの、燃料電池１の電解質膜１ａ等に蓄積された水分を排出することは困難である。さらに、掃気処理の全体に亘り高圧状態に保持されているため、掃気処理に要するエネルギーがその分増大し、掃気処理中に消費するエネルギーを効率的に利用しているとは言えない。
【００４６】
これに対し、上述した実施の形態においては、図５に示すように、掃気初期においては、掃気ガスの圧力が大気圧よりも低い低圧に維持され、掃気ガスの流量も増大しているので、迅速に残留水を排出することができる。また、掃気ガスの圧力を低圧に維持することにより、掃気に必要なエネルギーを低減させることができる。そして、掃気後期においては、掃気ガスの圧力が高圧に、掃気ガスの流量が小流量に、変更されるので、燃料電池１内の残留水分も効率的に除去することができる。
【００４７】
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、上述の実施の形態では、発電停止時に掃気処理を行う場合について説明したが、本発明の掃気処理は発電停止時に限られない。また、上述の実施の形態では、水素供給流路４とエア供給流路６を掃気するガスとしてエアを用いているが、窒素等の不活性ガスを用いてもよい。また、小流量掃気処理において、掃気ガスの圧力を大気圧よりも高い圧力にすると、前記小流量掃気処理の際に凝結した水を、反応ガス流量内と大気との圧力差により排出することが可能となり、排出性能をさらに高めることができる点で好ましい。ただし、小流量掃気処理の圧力は、これに限らず、大流量掃気処理の圧力である低圧よりも高い圧力であればよい。また、実施の形態において、水素排出流路やエア排出流路には、開度を調整可能な圧力調整弁を用いたが、ＯＮ・ＯＦＦ作動する弁を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの掃気制御の処理内容を示すフローチャートである。
【図３】遮断弁、コンプレッサ回転数、掃気バルブ、アノード圧力調整弁、カソード圧力調整弁についての時間変化を示すグラフ図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの掃気制御の処理内容を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施の形態における掃気ガス圧力および掃気ガス流量の時間変化を示すグラフ図である。
【図６】従来技術に相当する比較例における掃気ガス圧力の時間変化を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…燃料電池
３…水素供給流路（反応ガス流路）
５…エアコンプレッサ（掃気手段、酸化剤ガス供給手段）
６…エア供給流路（反応ガス流路）
７…水素排出流路（反応ガス流路）
８…エア排出流路（反応ガス流路）
１２…ＥＣＵ（掃気判断手段、掃気ガス供給制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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